Biotita, su utilización como mineral indice en las rocas metamórficas ...

1Abril 2004Revista Ciencia y Técnica Nº 11Biotita, su Utilización como Mineral Índice en las Rocas Metamórficas delCerro de los Ángeles, Sierra de Ambato, Catamarca, ArgentinaGaciela del Valle Córdoba - Marcelo E. WatkinsUnidad Ejecutora: Facultad de Tecnología y Ciencias Aplicadas – Universidad Nacional deCatamarca – Maximio Victoria 55, C.P. 4700 – CatamarcaPalabras Claves: biotita-geoquímica-metamorfismoKey words: biotite-geochemistry-metamorphismRESUMEN: El estudio geoquímico de labiotita, principal mineral accesorio deesquistos, gneises y migmatitas del sectorseptentrional del cerro de Los Angeles,Sierra de Ambato, Catamarca, Argentina,permitieron establecer con precisión, lascondiciones físicas bajo las cuales sealcanzó el pico de metamorfismo en estesector de Sierras Pampeanas.Los diagramas experimentalesestablecieron que las migmatitas fueronconsolidadas a T° de 720°C y Pt de 5,43Kb aproximadamente.SUMMARY: The geochemical study ofthe biotite, main accessory mineral ofschists, gneisses and migmatites of thenorthern sector of Los Angeles hill,Ambato range, Catamarca Argentina,allowed to establish accurately, thephysical conditions under which the pickof metamorphism was reached in thissector of Pampeanas Ranges.The experimental diagrams establishedthat the migmatites were consolidate at T°of 720°C and Pt of 5.43 Kb approximatelyINTRODUCCIONDurante el estudio petrológico-geoquímico del basamento metamórfico, sectorSeptentrional, en el cerro de Los Angeles, Sierra de Ambato, Catamarca, Argentina(Córdoba 1994), se planteó el problema de ausencia de minerales índicesfidedignos, utilizados tradicionalmente para rocas de origen sedimentario aluminoso,por distintos autores: cordierita, granate, etc.Por este motivo se inició la investigación geoquímica de la biotita, principalaccesorio en estas rocas y único mineral disponible para ser utilizado como indicadorde grado metamórfico y condiciones físicas de formación de estas unidadeslitológicas.Este recurso fue mencionado por Hewitt y Wones (1984), para resolver estetipo de problemas y aplicado por primera vez en nuestro país durante estainvestigación.Los resultados obtenidos a partir de muestras exploratorias permitieron, sinduda, un mejor entendimiento del metamorfismo acaecido en este sector de SierrasPampeanas, además de inferir acerca de los posibles procesos que intervinieron ensu formación.Metodología de trabajo

2Si bien actualmente existen técnicas de determinación química de granprecisión como es la microsonda electrónica, en el momento de realizar este trabajose aplicó otro tipo de metodología, que se detalla a continuación.Se seleccionaron muestras de esquistos tonalíticos y de migmatitasenriquecidas en feldespato potásico. Se emplearon fragmentos representativos deaproximadamente 1 kg y se sometieron a trituración y tamizado (tamices tipo tyler,malla de 60 y 80 µm).Posteriormente las micas, en particular la biotita y -basándonos en supropiedad magnética- fueron separadas con el electroimán Frantz, completándoseesta tarea con separaciones manuales bajo lupa binocular.Para el análisis químico de las micas se utilizaron fracciones de 3 a 4 gsometidas a molienda con mortero de ágata.Los análisis químicos de óxidos mayoritarios y minoritarios fueron realizadospor absorción atómica (Fe 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, LiO 2 , K 2 O y Na 2 O), por colorimetría(SiO 2 , P 2 O 5 , MnO y FeO), fue determinado por titulación con solución depermanganato estandarizado en la División Química Analítica del Instituto Nacionalde Tecnología Industrial (INTI) Capital Federal, Argentina. Las determinaciones deelementos traza (Zr, Y, Rb, Ba, Cr), fueron realizados por fluorescencia de Rayos X,en la División de Estudios Especiales de la Comisión Nacional de Energía Atómica.Finalmente mediante el cálculo de fórmulas estructurales y el empleo dediagramas químicos y experimentales, se determinaron las condiciones físicas delpico de metamorfismo acaecido en esta zona de Los Angeles.Ubicación y características generales del área de estudioEste trabajo se refiere específicamente al Complejo “Metamorfitas SantoDomingo”, formado por esquistos, gneises y migmatitas, con una mineralogíacuarzo-feldespática como minerales esenciales y biotita como accesorio dominante,eventualmente con muscovita y nucleaciones de fibrolita , mirmequitas y turmalina.Las coordenadas geográficas son 28° 27’-28° 35’S y 66° 4’O. En la Figura 1(modificadas por Aceñolaza et al,1982) se observa esta área en el cerro de LosAngeles, en el contexto geológico de Sierras Pampeanas Septentrionales y cuyascaracterísticas petrológicas fueron descriptas por Córdoba (1994).GeoquímicaEn una primera instancia se realizó un estudio comparativo entre los datosgeoquímicos de muestras seleccionadas de biotita de esquistos tonalíticos y demigmatitas típicamente enriquecidas en feldespato potásico. En la Tabla I seexpresan los resultados de los análisis químicos de estas micas y sus fórmulasestructurales.Estas micas presentan composiciones que se aproximan a los valorescorrespondientes a siderofilita en la biotita de los esquistos, con Al VI > 1 y annitaaluminosa en las micas de las migmatitas, donde el Al VI ~0,825 (Figura 2). Estaspropiedades de mayor aluminosidad en la biotita de los esquistos, es un indicadorcomprobado de temperaturas más bajas durante la formación de estas rocas(Dymek, 1983).En la Figura 3, se comparan algunos parámetros utilizados por Guidotti,(1984) con los obtenidos en estas micas. Como puede apreciarse, las biotitas de losesquistos tonalíticos y migmatitas presentan valores que se ajustan a los rangosobtenidos por este autor, en la facies de las anfibolitas.

3Asimismo, está comprobada la relación inversa existente entre el Al IV y el Ti VI(átomos por fórmula unidad) entre estas micas. Estas características, previamentedefinidas en forma experimental por Engel y Engel, (1960) y Oki, (1961), sonindicadores del incremento en el grado metamórfico. También fueron corroboradasen forma experimental por Robert (1976), al investigar la solubilidad de titanio enbiotita como función de la presión y temperatura, indicando que efectivamente elcontenido de Ti aumenta con el grado metamórfico, esencialmente con latemperatura.Las sustituciones catiónicas observadas en estas micas:Al VI +Si IVSi VI +Al IVson también indicadores del metamorfismo de alto grado, características definidasexperimentalmente por Dymek (op. cit.).El Fe +3 en posición octaédrica, presenta valores compatibles con losestablecidos por Guidotti (op.cit), para las facies de las anfibolitas, observándose enla biotita de las migmatitas un tenor más alto.El parámetro Mg/Mg+Fe(t) es compatible también con esta facies. Mohr yNewton, (1983) y Robinson, (1984) determinaron en forma experimental que esteparámetro con valores >0.7 es indicador de sulfuros (ambientes reductores). Enestas micas en particular sucede lo contrario, están relacionadas a óxidos, ya que elrango Fe +2 /Fe +3 así lo confirma. Este parámetro indicaría la coexistencia de estasmicas con magnetita y consecuentemente niveles tectonome-tamórficos másprofundos que los de las micas asociadas con hematita.Otros elementos en las micas (átomos por fórmula unidad), que estáninfluenciados por las asociaciones paragenéticas de la roca original son el K, Sr yBa. Puede observarse que el K, abundante en las biotitas metamórficas de todos losgrados (Guidotti, op.cit), se incrementa aún más en la biotita de las migmatitas.También lo hace ampliamente el Ba, característica frecuente en biotita conparagénesis de alto grado, mientras que los tenores de Ca y Sr, son mayores en labiotita de los esquistos.El incremento del rango K/Rb en la biotita de las migmatitas, compatible conla geoquímica de dichas rocas, confirmaría el origen por anatexis parcial a partir delos esquistos.Condiciones físicas de formación de la biotitaEl pico de metamorfismo actuante en esta zona de Los Angeles, estaríarelacionado con la formación de las migmatitas.Por lo expuesto inicialmente en este trabajo, se utilizaron los análisis químicosy las fórmulas estructurales de biotitas de alto grado, estableciendo con una mayorexactitud las condiciones físicas de formación de estas micas y de las rocas que lascontienen.En el trabajo experimental de Wones y Eugster, (1965) la biotita forma partedel agregado biotita-sanidina-magnetita-vapor -cuyos datos termodinámicos y enparticular la curva de equilibrio de la reacción “A”- es útil de acuerdo con Hewitt yWones (op.cit) para definir las condiciones físicas de estabilidad (presión total,temperatura, fugacidad de agua y fugacidad de oxigeno) en rocas granitoides ymetamórficas de alto grado.“A”

4KFe3AlSi3O10(OH)10 + 1/2O2annitaKAlSi3O8 + Fe3O4 + H2Osanidina+magnetitaEn la Figura 4 el sistema ternario Fe +2 – Mg - Fe +3 , que representa lascomposiciones de las soluciones sólidas de la biotita, estables a una variedad deestados de oxígeno. En el mismo, se observa que estas micas se ubican en el bufferNi - NiO, indicando moderada fugacidad de oxígeno.En la Figura 5, que corresponde al trabajo experimental de Wones y Eugster,(op cit) proyectado sobre el plano de fugacidad de Oxgeno - Temperatura a 2070bares, se establecen valores de:fO 2 =16,2 T°=720°C para un rango Fe(t)/Fe(t)+Mg = 0,678Para el cálculo de la fugacidad de agua, se utilizó la calibración realizada porWones (1972), quien basado en nuevos datos experimentales, estableció loscambios de energía libre (o energía de Gibbs) de la reacción de equilibrio y ellogaritmo de la fugacidad de agua para los buffers Ni - NiO y Fe 2 O 3 - Fe 3 O 4 :log fH 2 O = AG/R.T.2,3026 + log fH2O +1/2log aannita- log asanidina - logamagnetitalog fH 2 O = 7409/T + 4,25 + ½ log fO2 + 3.log XFe +2amagnetita(T° en grados Kelvin)- log asanidina - logSe asume que la magnetita y la sanidina son soluciones sólidas ideales, deacuerdo con Robie et.al, (1978).amagnetita = 0,95 ; asanidina = 0,85 aannita = X.annita (Fracción molar del Fe +2 ,valor promedio de la biotita de Los Angeles = 0,7497).Al reemplazar en la fórmula de Wones (op.cit), se obtiene un log fH 2 O =3,328, log fH 2 O = 7,665, que representa una fugacidad de agua (fH 2 O) de 4,27 Kb,valor que extrapolado en la tabla de Burnham et.al.(1969) corresponde a 5,43 Kb depresión total.Estas condiciones físicas representarían aproximadamente el pico demetamorfismo alcanzado durante la consolidación de estas migmatitas generadas “insitu”.ConclusionesLa ausencia de minerales índices comunes, fue discutida en un trabajoanterior (Córdoba, op.cit.), donde se establece además que en los niveles másprofundos -gneises y migmatitas- se producen reacciones anatécticas quedesestabilizan la biotita, formando final- mente un agregado neosomático que seconsolida “in situ”.Al utilizar la biotita de estas últimas rocas, como indicador del picometamórfico, a partir de diagramas experimentales bien definidos, fue posibleestablecer que las mismas se habrían consolidado a una T° de 720°C y Pt de 5,43kb aproximadamente.

5AgradecimientosNuestro especial agradecimiento al personal de División Estudios Especialesde la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), en particular a la Lic. OrquídeaMorello y al Sr. Ricardo Rodano, por su ayuda en la preparación de las muestras ydeterminaciones analíticas.FIGURA 1Esquema de distribución del Basamento cristalino en el sector oriental de las SierrasPampeanas Septentrionales, modificado (Aceñolaza et. al. 1982)Referencias66GranitosFilitas – Esquistos bandeados

6Gneises – Esq. Biotíticos – MigmatitasComplejo Metamorfitas Santo DomingoFigura 2Figura 3BIOTITASParámetros de Guidotti (1984) EsquistosMigmatitasFacies de las AnfibolitasAl VI entre 0,1 (at. p. f. u.) 1,369 0,825Ti VI menos de 0,25 (at. p. f. u.) 0,1464 0,2365Fe + VI entre 0,1 y 0,3 (at. p. f. u.) 0,2264 0,2705Mg/ Mg+Fe +1 entre 0,3 – 1 (at. p. 0,32 0,32f. u.)Fe +2 /Fe +3 entre 0 – 5 (at. p. f. u.) 5,5468 5,543(coexistente con hematita –oxidación)Fe +2 /Fe +3 entre 5,18 – 31,8 (at. p.f. u.)(reducción – coexistente con lamagn.)K (at. p. f. u.) Abundante en las 1,496 1,82

7biotitas metamórficas de todoslos gradosNa menos de 0,2 (at. p. f. u.) 0,17424 0,1742Ca (at. p. f. u.) escaso 0,04815 0,00321Ba (ppm) frecuente en biotitas 492 1105con paragénesis de alto gradoSr (ppm) escaso 25 Menos de 10K/Rb 98,33 126,6Figura 4Referencias• Micas de Los ÁngelesFigura 5

8Fugacidad de OxigenoTabla IComposición química y fórmula estructural de las biotitasMigmatita 458% Proporciones atómicas Fórmula EstructuralSiO 2 34,9 0,5950 Si 5,23Al 2 O 3 20,3 0,1990Al IV 2,77 8,00Al VI 0,825FeO 11,97 0,1666 Fe +2 1,49Fe 2 O 3 2,6 0,01603 Fe +3 0,2705TiO 2 2,1 0,02628 Ti 0,2365MgO 12,1 0,30017 Mg 2,7015 5,386MnO 0,3 0,00423 Mn 0,03807Li 2 O 0,06 0,0020008 Li 0,03614CaO 0,02 0,00003566 Ca 0.032K 2 O 9,52 0,1011 K 1,83 2,04Na 2 O 0,6 0,00968 Na 0,1742H 2 O 2,2 OH - 2,14PpmZr 184Y -10Sr -10Rb 627Ba 1105

9Cr 301Fet/Fet+Mg = 0,68Migmatita 456% Proporciones atómicas Fórmula EstructuralSiO 2 35,1 0,58416 Si 5,23Al 2 O 3 20,3 0,1991Al IV 2,77 8,00Al VI 0,825FeO 11,97 0,1666 Fe +2 1,499Fe 2 O 3 2,4 0,1666 Fe +3 0,2705TiO 2 2,1 0,02628 Ti 0,2365 5,6MgO 12,1 0,30017 Mg 2,7015MnO 0,3 0,00423 Mn 0,03807LiO 2 0,06 0,00200 Li 0,03614CaO 0,02 0,0003566 Ca 0,00321K 2 O 9,52 0,1011 K 1,82 2,00Na 2 O 0,6 0,00968 Na 0,1742H 2 O 2,2 OH - 2,14PpmZr 184Y -10Sr -10Rb 624Ba 1100Cr 301Fet/Fet+Mg = 0,72Migmatita 509% Proporciones atómicas Fórmula EstructuralSiO 2 38,5 0,6407 Si 5,69Al 2 O 3 21,1 0,2069Al IV 2,30 8,00Al VI 1,422FeO 10,95 0,1524 Fe +2 1,3716Fe 2 O 3 2,2 0,013776 Fe +3 0,248 5,38TiO 2 2,0 0,02503 Ti 0,2253LiO 2 0,05 0,00167 Li 0,0301MgO 9,28 0,2302 Mg 2,072MnO 0,3 0,00423 Mn 0,0381CaO 0,07 0,00125 Ca 0,01123K 2 O 9,04 0,09596 K 1,7273 1,9Na 2 O 0,5 0,00806 Na 1,451H 2 O 4,5 OH - 4,44PpmZr 185

10Yn.dSr -10Rb 630Ba 900Cr 277Ni 212Fet/Fet+Mg = 0,72Esquistos 508 -512% Proporciones atómicas Fórmula EstructuralSiO 2 39,2 0,6524 Si 5,82Al 2 O 3 30 0,19615Al IV 2,18 8Al VI 1,369FeO 10 0,13954 Fe +2 21,256Fe 2 O 3 2,01 0,01258 Fe +3 0,2264TiO 2 1,3 0,01627 Ti 0,0146 5,28LiO 2 0,02 0,000669 Li 0,01204MgO 10,11 0,2508 Mg 2,2572MnO 0,1 0,00141 Mn 0,0129CaO 0,3 0,00535 Ca 0,04815K 2 O 7,83 0,083117 K 1,4961Na 2 O 0,6 0,00968 Na 0,17424 1,72H 2 O 6,5 OH - 6,44PpmZr 128Yn.dSr 25Rb 661Ba 492Cr 315Fet/Fet+Mg = 0,72Bibliografía:• Aceñolaza, F.G. y A.J. Toselli 1991. Geología del Noroeste Argentino – 1987 -Universidad Nacional de Tucumán, 212p. Argentina.• Burnham, C.W., J.R Holloway y N.F. Davis, 1969. Thermodynamic properties ofwater to 1000°C and 10000 bars. Special Paper, Vol 132. Geology Society ofAmerica, 96p.

11• Córdoba, G del V. 1994. Contribución al conocimiento petrológico del basamentoplutónico-metamórfico del Cerro de Los Angeles, Sierra de Ambato, Catamarca.Argentina. Tesis Doctoral.(inédita). Universidad Nacional de Catamarca, 205p.• Guidotti, C.V. 1984. Micas in metamorphic rocks in Review Mineralogy Micas.Mineral. Soc. Am. Vol.13.• Hewitt. D.A., Wones D.R. (1984) Stability diagrams in Review Micas – Tomo 9 –Geological Survey – USA -Edit Bailey- pág. 203-235)• Wones, D.R. y H.P. Eugster, 1965. Stability biotite, experimental, theory andapplication. American Mineralogy. Vol. 50 – pág. 228-272• Wones, D.R 1972. Stability of biotite, a reply. American Mineralogy. Vol 57-pág.316-318• Dymek, 1983 – in Guidotti (op. Cit)• Engel y Engel, 1960 – in Guidotti (op. Cit)• Oki, 1961 – in Guidotti (op. Cit)• Robert, 1966 – in Guidotti (op. Cit)• Mohor y Newton, 1983 – in Hewitt D.A. y Wones D.R. (op. Cit)• Robinson, 1984 – in Hewitt D.A. y Wones D.R. (op. Cit)